合工大机电毕业论文

毕 业 设 计设计题目 用于遥控机器人的智能手环设计 学生姓名 朱绍冲 学 号 2013216413 专业班级 机械工程 13-1 班 指导教师 钱钧 院系名称 机械工程系 2017 年 6 月 4 日目录中文摘要 .1英文摘要 .2第一章 绪论 .31.1 研究背景和意义 .31.2 国内外相关产品的发展现状 .31.3 论文研究的主要内容 .5第二章 智能手环系统设计 .62.1 系统方案设计 .62.1.1 系统组成结构 .62.1.2 主要功能及实现过程 .72.2 主要相关技术原理 .82.2.1 蓝牙无线通信技术 .82.2.2 手势识别原理 .102.2.3 TFT-LCD 彩屏技术 .13第三章 智能手环的硬件设计 .143.1 智能手环硬件结构以及主控模块设计 .143.2 体感交互模块设计 .163.3 LCD 显示屏模块设计 .173.4 摇杆模块设计 .18第四章 智能手环与接收端程序设计 .194.1 开发环境的介绍 .194.2 智能手环端的程序设计 .204.2.1 六轴传感器 MPU6050 算法 .204.2.2 智能手环程序流程 .224.3 移动机器人接收端程序设计 .234.3.1 移动机器人转向原理 .234.3.2 移动机器人程序流程 .24第五章 智能手环的测试 .255.1 智能手环的实验平台 .255.2 功能测试 .265.2.1 手势识别功能测试 .265.2.2 摇杆功能测试 .26总结与展望 .27谢辞 .28参考文献 .29附录一 智能手环程序 .31附录二 智能手环电气控制原理图 .381用于遥控机器人的智能手环设计摘要：本文主要工作是设计一种用于短距离无线遥控移动机器人运动的智能手环。在系统设计方案上，智能手环分为手势控制和遥杆控制两种控制模式，其功能的实现是在基于 AVR 单片机的 arduino 开发平台。六轴加速度模块感知手势的变化或者遥杆模块识别动作，通过蓝牙与移动机器人实现通信，控制移动机器人的动作，同时手环上的 LCD 显示屏显示机器人的当前状态。两种不同方式的控制模式，方便各年龄段的人群使用手环对机器人实现控制，充分体现了用户友好性的特点。在设计过程中，还对智能手环实物样机的功能和性能进行了充分的测试，包括手势识别，遥杆控制，按键功能以及显示屏显示等，测试结果表明此次的设计达到了设计之初的要求。关键词：智能手环、遥控、手势识别、用户友好性中文摘要2Abstract：The main work of this paper is to design a smart bracelet for short-distance wireless remote control of the mobile robot. In the system design, the smart bracelet has two control modes that are divided into the gesture control and the Joystick control, the realization of its function is based on AVR microcontroller arduino development platform. The six-axis acceleration module senses the change of the gesture or the Joystick module distinguishs the action, communicating with the mobile robot through the Bluetooth, and then controls the movement of the mobile robot. At the same time, the LCD is displaying the current state of the robot. Two different ways of control mode facilitate the use of different age groups for the bracelet to achieve control of the robot, which fully embody the characteristics of user-friendly. In the design process, the function and performance of the smart bracelet prototype were tested, including gesture recognition, remote control, key function and LCD display. The test results show that the design basically reachs the expected requirementsKeywords: smart bracelet, remote control, gesture recognition, user-friendly英文摘要3第一章 绪论1.1 研究背景和意义目前，随着机器人领域的快速发展，机器人的智能化水平有了长足的进步。而最能体现机器人智能化的则是运动轨迹的控制，其中机器人的运动控制是实现机器人轨迹操控的决定性因素，而传统移动机器人的控制方式有自动控制和手动遥控的方式：自动控制是指在已编程的控制器下完成运动或根据场景自主规避障碍移动；手动遥控是指人们通过遥控器将指令有线或无线地传输到机器人并使其进行相应的动作。但是移动机器人全自主控制方式尚不成熟1，精度很难达到设计时的要求，因此很多情况下需要使用遥控器对其进行遥控操作。引入遥控器一定程度上弥补了移动机器人智能化的不足，便于人们对其的调试和操纵，但目前市面上和工业上使用的遥控器往往体积大、重量大，十分笨重，非常不适合随身携带。同时，随着计算机技术、自动控制技术、通信技术、传感器技术、人工智能等技术的高速发展2，机器人在各行各业的使用也越来越广泛，而对机器人的操控要求越来越高，特别是在生活、教学中，为了更加体现机器人所带来的人性化，人们对遥控装置的便于携带和使用提出了更高的要求。因此考虑到人们的穿戴习惯，以及最近几年智能手环概念产品的大热，本次课题就以智能手环为题，来设计用于遥控移动机器人的穿戴式设备。智能手环作为一种最容易获得的随身“穿戴式智能设备”3，具有许多优点：穿戴方便，质量轻，无负重感，而且拥有良好工业设计的智能手环是一件富有时尚感的装饰品，能从细节处体现一个人的穿戴品味。除此之外，人们平时也习惯于佩戴手环、手表等类似的产品，符合大众生活习惯，并不会给平时的生活带来不便。1.2 国内外相关产品的发展现状1982 年日本精工曾推出过一款可编程手环，算是智能手环发展史上的首款产品，鉴于当时的产品研发受众群体和现今智能手环受众较大出入，或许很多人把这款产品排除在智能手环范畴，不过谁也无法抹除它在智能手环历史上存在过的事实。4目前智能手环所涉及的技术主要包括嵌入技术、识别技术、传感技术和通信技术等等，而且随着各类新兴技术的发展以及低功耗处理芯片的推出，智能手环的种类日益丰富，功能也越来越多，日渐成为人们日常所佩戴的设备，并渗透到健身、娱乐等各个领域。图 1.1 小米手环 2 和华为手环 b3现在国内的智能手环，如小米手环，华为手环、咕咚手环等，大部分用于人们日常生活的体征监控和与手机通过蓝牙连接进行消息提醒4。体征监控中最为重要的一点是准确的计步功能，这项功能的实现主要基于的是三轴加速传感器，例如小米手环（如图 1.1）内置的是那枚强悍的三轴加速度传感器 ADXL362（军用级），其实三轴加速度传感器很常见，在大多数中高档手机里都有配备加速度传感器，但是在侦测精度上达不到到这种军用级传感器的级别。三轴加速度传感器的三轴是指空间中的 X，Y，Z 三个维度5，有了这三个维度，手环就可以捕捉到人体在走动时加速度变化，从而采集到相应的数据。其中的算法是根据三轴加速度实时采集到的 X、Y、Z 轴的数据，经过滤波、峰谷检测等过程，再通过精确的计算，最终将这些数据输出为第三方应用端的可读数字，有效步数、距离、消耗的卡路里等数值呈现在用户界面中。另一项功能-睡眠监测功能- 是基于将脉搏传感器和三轴加速度传感器相结合的方式实现的，脉搏传感器判断手环是否被摘下，若被摘下，脉搏传感器将无法采集数据传回处理器；三轴传感器负责判断人体是否处于运动状态，从而得出人是否处于睡眠状态的结论。上面所说的是最基本的智能手环功能，除此之5外像华为手环，将无线蓝牙耳机的功能集成到了手环上，这样着实方便了很多商务人士，手环随身佩戴在手腕上，在驾驶车辆时遇到需要打电话的情况，不用匆忙地寻找蓝牙耳机，只需将智能手环的主设备从腕带上摘下，戴到耳朵上即可。图 1.2 BB8 移动机器人 图 1.3 原力手环 force band国外的智能手环产品，大多数已投入量产的与国内智能手环类似，例如三星Gear Fit、Jawbone UP24 、佳明 Vivofit、Misfit Shine 、Fitbit Forc6等都属于运动智能手环，记步和睡眠监控两项是它们主打功能。而在 2016 年年初 Sphero 推出了一个可以控制 BB8 移动机器人（如图 1.2）的“原力手环 Force Band”（如图 1.3）。如它的广告描述：戴上这款酷炫的智能手环，你就感觉自己是一个电影中的绝地武士，做出相应手势展现你的“ 原力 ”，让 BB-8 机器人跟随你的动作而运动吧。用蓝牙与 app 连接后，手环可以识别三种手势：推、拉和停。把手往回收，BB-8 就会向你靠拢；把掌心向外推，BB-8 就会往你相反的方向运动；又或者把手臂向下压，BB-8 就会减速。由于“ 原力手环 ”是一个新兴的，且不是一个开源的产品，因此对于其内部的构造及使用的传感原理知之甚少，但无疑为我们这次的设计提供了一个良好的借鉴。1.3 论文研究的主要内容近年来，嵌人多种 MEMS(MicroElectro 一 Mechanical System)传感器的可穿戴电子设备发展迅速，如谷歌眼镜、阿迪达斯运动鞋和爱心运动手环等7。同时，将人机交互和可穿戴设备相结合逐渐成为研究热点，其中手势识别技术在人机交互6领域扮演着一个重要的角色。受上述产品的启发，同时为了满足人们对于操控移动机器人的便携化和人性化需求，本课题设计开发了一种用于无线遥控移动机器人智能手环的控制系统。智能手环通过蓝牙与移动机器人相连，其控制系统主要包括了三个功能模块：一是手动的摇杆控制模块；二是交互式手势控制模块；三是 LCD显示模块。手动摇杆控制模块类似于传统游戏手柄上的方向控制模块，通过摇动摇杆来实现对移动机器人运动方向的控制；交互式手势控制通过六轴加速度传感器MPU6050 采集手腕动作时加速度的变化，通过算法的处理输出命令，实现控制；LCD 显示模块是显示当前移动机器人的状态，便于人们观察和操控。两种不同的操控模式符合各年龄段不同人群的需求，手动模式相比于交互式手势控制更加简便，不需要提前的学习，适合年纪大的老年人群体，而手势控制更加具有趣味性，提高用户的体验性，更适合对新鲜事物充满好奇的且善于学习的年轻群体。第二章 智能手环系统设计2.1 系统方案设计2.1.1 系统组成结构本文设计的智能手环主控系统如图 2.1 所示。主控芯片 ATmega328 控制各个模块的运行，由切换按钮决定 ATmega 接收来自六轴加速度 MPU6050 或摇杆 joytick的数据。除此之外，还有 LCD 显示屏模块、蓝牙通信模块、移动机器人接收端模块等。图 2.1 智能手环主控系统框图72.1.2 主要功能及实现过程本文设计的智能手环主要功能是控制移动机器人的运动，由于只是初代的控制系统，首先要确保的是所设计的功能能够完整的表达，因此并没有把所有的模块封装到一起，只是单独将所用到的模块组合到一起，进行测试和实验。体感手势控制功能。体感控制是智能手环最为核心与创新的功能，这个功能和智能手机中重力控制玩游戏相似，主要依靠加速度传感器实现。此次我们运用 MPU6050 传感器，它采集 x、y、z 三轴的加速度、角速度，通过算法得到三个方向的加速度值8，经过主控制器的处理，通过蓝牙将输出的命令传给移动机器人的MCU（Microcontroller Unit），机器人的 MUC 再经过计算，根据命令的不同输出不同的移动机器人的动作。摇杆控制功能。这项功能在游戏手柄中经常能够看见，如索尼 PSP 游戏机（如图 2.2）、XBOX 游戏手柄上都有应用到。而此次